在今天的宇宙中，我们看到物质会聚集在一起，形成巨大、复杂的结构，比如行星、恒星、星系......
但这一切都是从何而来？
回到138亿年前，在大爆炸后，宇宙非常炙热。那时恒星、星团等还没有出现，有的只是少数的几种元素，其中大部分是氢和氦。随着宇宙的不断膨胀和冷却，在大爆炸核合成时期产生的轻元素便开始结合。
科学家认为，在大爆炸的10万年后，中性氦原子（He）与质子（实际上是带正电的氢离子，H⁺）会开始反应，形成宇宙中的第一批分子：HeH⁺（氦合氢离子）。这是宇宙演化的第一步。
○ 氦合氢离子是早期宇宙形成的第一批分子。| 图片来源：NASA/Ames Research Center
之后，HeH⁺与氢原子反应，创造了形成氢分子的第一个路径，这为第一批恒星的形成奠定了基础。之后，在宇宙的漫长演化历史中，恒星逐渐创造了宇宙中的其他元素（比如碳、氧、氮等）。尽管HeH⁺在早期宇宙历史上有着如此重要的位置，但在过去，科学家一直没有在星际空间中寻找到它的踪迹。
我们知道，氦本身是一种惰性气体，很难与其他原子结合。但在1925年，实验科学家设法让氦与氢离子共享一个电子，成功地在实验室中创造出了HeH⁺。但是，我们真的可以找到这些诞生于早期宇宙的第一批分子吗？我们可能永远无法找到它们，因为它们在很久以前应该就已经消失了。
然而，到了1970年代末，理论家预测这些分子很有可能在行星状星云中形成，因为在那里有着与早期宇宙相似的物理条件。但40多年来，科学家并没有发现任何证据，这使得相关理论也受到了质疑。
马克斯普朗克射电天文研究所的天文学家Rolf Güsten表示：“宇宙的化学始于HeH⁺。长久以来，由于缺乏能证明它存在于星际空间中的确凿证据，使得天文学陷入左右为难的处境。”
2016年，天文学家再次瞄准了一个年轻的行星状星云：NGC 7027。
○ 行星状星云是一颗低质量到中等质量的恒星（比如我们的太阳）在耗尽其燃料后，将其外层抛出而形成的。外层的气体膨胀进入太空，形成通常有着环状或气泡状的星云。大约200年前，威廉·赫歇尔称这些球状的云为行星状星云，因为它们像行星一样是圆的。在行星状星云的核心，会留下一颗炽热的白矮星。图中显示的是行星状星云NGC 7027。| 图片来源：WILLIAM B. LATTER/SIRTF SCIENCE CENTER/CALTECH, NASA, ESA
NGC 7027距离地球大约3000光年，其中央的恒星是天空中已知最炽热（190000开尔文）、最明亮（太阳光度的一万倍）的恒星之一，它所释放的紫外辐射和热量创造了适合形成HeH⁺的条件。
但是，即使是离地球非常近的行星状星云，要从中探测到HeH⁺也是一件非常棘手的事情。因为这些分子所释放的红外波很容易被地球的大气阻挡，因此地面上的望远镜根本无法用于观测。
○ 相比于太空望远镜，SOFIA的一个优点是每次观测结束后都会返航，这使科学家可以更换仪器并且安装好最先进的技术。这种灵活性可以使我们不断地改善观测结果。| 图片来源：NASA
为了解决这一问题，天文学家将高科技望远镜安装在了一架名为SOFIA（全称为“索菲亚平流层红外天文台”）的飞机上。他们将望远镜对准了NGC 7027，并使用了一种类似于无线电接收器的仪器调频到HeH⁺的发射”频率“上，就好比是把收音机调到喜欢收听的电台一样。
○ 根据量子力学定律，每个分子都会以特定的频率释放辐射，这些频率可以被计算和在实验室中测量。这些独特的“指纹”可以通过光谱学的方法进行清晰的辨别。旋转的HeH⁺离子的最低跃迁发生在2010GHz频率（对应于波长0.149毫米）。| 图片来源：NIESYTO design, William B. Latter and Rolf Güsten and NASA/ESA
4月17日，Güsten与同事将最新发现发表在了《自然》期刊上：他们在NGC 7027中首次探测到了HeH⁺，最终确认了它们的确存在于星际空间之中。这一结果证实了我们对早期宇宙化学的基本理解，为数十年的搜索画上了一个圆满的句号。
参考来源：
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1090-x
https://www.mpifr-bonn.mpg.de/pressreleases/2019/5?fbclid=IwAR3W1UbOJh13ikvIT88y8sVB6FE3v9_zbjowfgXoa-Du2aJSKF9yJls2GHc
发表于 2019-4-21 16:59
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